30号刘源 ARM系统在LED显示屏中的应用.doc

湖南文理学院课程设计报告课程名称： 嵌入式系统课程设计 专业班级： 建筑智能10102班 学号（30） 学生姓名： 刘源 指导教师： 梅英（老师） 完成时间： 2013年 7 月 1 日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 2013.7.5 湖南文理学院制目录第一章设计要求 2第二章设计作用目的 2第三章LED显示屏的工作原理 33.1 LED工作原理 33.2 LED器件的驱动原理 43.3 LED显示技术的基本原理 6第四章 LED彩屏显示设计方案 12第五章 LED彩屏显示系统的硬件设计 125.1 ARM芯片简介及硬件电路设计 125.2 CPLD技术简介及硬件电路设计 19第六章 LED彩屏显示系统的软件设计 206.1 ARM的软件设计 206.2扫描驱动电路的CPLD软件设计 22第七章 系统仿真及调试 24第八章 心得体会 25参考文献 26附录1 系统原理图 27附录2 系统程序 28 按照样本，不分章节，只有要点，精简内容。

图不清楚，重新画！ ARM系统在LED显示屏中的应用第一章设计要求随着科技的日益进步，基于LED现实屏的研究也越来越深，同时，人们的生活水平也越来越高，这样，也对LED方面就提出了更高的要求用LED器件组成电子显示屏，不但色彩绚丽而且其制作尺寸几乎不受限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，可应用于室内外各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等信息，具有较强的广告渲染力和震撼力，美化和丰富了人们的生活环境传统LED显示系统的控制以单片机为核心，功能较为简单，当需要进行数据处理时，单片机的处理能力就更显不足，不能满足LED显示屏发展的需要本文将介绍一种基于ARM和CPLD控制平台的LED全彩色显示屏控制系统论文首先介绍了LED显示技术和系现实原理，然后从硬件和软件两个方面，分别详细介绍了系统硬件的设计和软件的设计，最终实现预期功能第二章设计作用目的随着半导体技术的进一步发展及大规模集成电路的广泛应用，可编程逻辑器件来完成电路功能，不仅能够满足LED大屏幕系统高速图像数据传输对速度的要求，改善了电路性能，而且增加了电路设计的灵活性，设计中可以根据实际应用的需求灵活修改相应硬件描述语言程序，而不需要修改电路硬件设计，缩短了设计周期，降低了成本。

同时，采用基于ARM核的新一代32位微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，可以支持更大可视区域的稳定显示，可以存储更多的显示内容基于以上优点，本文将采用ARM和CPLD相结合的方法来共同完成LED彩屏的显示系统设计，功能包括：1） 该显示屏控制器必须支持一般显示屏所需的与上位机实时通讯和全部显示功能，如左移、上移、下移、左卷帘、右卷帘、左百叶窗、右百叶窗等功能显示的内容包括实时时间、日期、汉字公告以及视频动画等2） 实现上位机和下位机的通讯和同步，使其通过上位机对LED显示屏包括诸如显示内容、显示方式、中文图形字库和控制软件进行更新升级的远程控制3） 按设定的显示效果显示图像(如:左右移动，上下移动，收缩显示，雪花显示，单字显示等)，可以设定并显示时间(年/月/日，时/分/秒)，可以显示环境温度，能够向LED屏发出色彩和灰度控制信号及行列控制信号等4） 实现对彩色LED的亮度、灰度的控制和调节第三章LED显示屏的工作原理3.1 LED工作原理3.1.1 LED发光的基本原理发光二极管(Lighting Emitting Diode)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流如图1所示通过它的时候，可以产生可视的光。

图1 二极管工作原理发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成我们知道，发光是一种能量转化现象当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光3.2 LED器件的驱动原理从LED器件的特性可知道，当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光因此LED的驱动就是如何使它的PN结处于正偏置，而且为了控制(调节)它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等3.2.1直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法，就是通过稳定电源，经限流电阻为发光二极管LED提供电流的方法连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向这种驱动方式虽然简单，但是不能在LED显示屏上使用这是由于LED正向特性陡峭，加上元件参数的分散性，即使相同的电源，相同的限流电阻，每个LED的正向电流也不尽相同，导致LED器件的发光强度不同，亮度不均，而且这种方法不易调节每个LED器件的亮度，所以无法标识图像信息。

3.2.2恒流驱动恒流驱动基本上克服了器件分散性的影响由于三极管的输出特性具有恒流性质，所以可以采用晶体管驱动LEDLED的导通电流，与LED无关，取决于外参数LED管得正向电流是:If=Ic=Ie=(Vb-Vbe)/Re其中，Vb为外加基极电压，Vbe为基极一发射极电压由于三极管Vbe的分散性比放大倍数β的分散性要小，所以各LED器件的正向电流在其Vb与Re相同的情况下，基本上可以保证是一致的3.2.3脉冲驱动利用人眼的视觉暂留特性，采用向比D器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲方式采用这种方式时应该注意两个问题:脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值h就应该与直流驱动的电流值相同如图2所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分 电阻 I T Ton Toff If Iu t 脉冲电源电阻图2 LED脉冲驱动电流其中ton/T就是占空比的一种描述，为了使脉冲驱动方式下的平均电流I，与直流驱动电流工。

相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足IF=(T/Ton)Ia=(T/Ton) I可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大T/Ton倍其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高24HZ，否则会产生闪烁现象脉冲驱动的主要应用有两个方面:扫描驱动和占空比驱动3.2.4 扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路比D显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制;也可以按列扫描，按行控制所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不问这一行的哪一列的LED器件是否应该点亮，某一列的LED器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责本课题采用按行扫描按列控制的方式图3所示为一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到枷轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作例如在LED显示屏上需要LEDll熄灭，LED21点亮，那么当扫描到Hl行时，L1列的电位就应该为高;当扫描到H2行时，L1列的电位就应该为低。

图3 行扫描列控制原理级波形图3.3 LED显示技术的基本原理3.3.1灰度扫描的实现灰度扫描实现的关键在于产生由“0”和“1”组成的串行数据流从图像处理模块输出的数据信息为并行数据，它包括图像分离的R、G、B三基色数据但这些数据不能直接用于LED扫描显示，必须经过时序译码，才能转换为含有灰度信息的由“0”和“1”组成的编码序列，以供扫描显示使用在高速动态显示时，LED的发光亮度与其在扫描周期内的发光时间成正比，所以灰度等级的实现由控制LED的发光时间与扫描周期的比值（即占空比）的办法来实现假设每帧周期为S，采用8行扫描方式，则每行总选通时间为S/8将每周期内LED的总发光时间依次调节为0、1×S（/8×16）、2×S（/8×16）……、15×S/（8×16），这样就将LED的发光时间分为16个等级，即实现了16级灰度3.3.2 信息刷新原理根据实现数据刷新的原理不同，LED显示屏刷新方式可分为锁存型和扫描型两种类型1、锁存型锁存型指显示屏上每一个LED都对应于一个驱动寄存器，即驱动器不需要时分工作，每一个LED的亮度占空比均为100%这样避免了LED在超额电流状态下工作过去使用常规驱动IC，设计非常复杂而且成本较高。

现在超大规模LED功能驱动IC出现后，不但设计简单，成本也大幅度降低室外屏大多为锁存型2、扫描型扫描型指显示屏上4行、8行或16行LED共用一个驱动寄存器，常称为4循环、8循环或16循环在这种系统中，屏幕灰度信息的刷新是靠驱动寄存器时分工作实现的只要屏幕的刷新频率在50Hz以上，人眼就不会感到闪烁因为驱动寄存器的时分工作，使每一个LED的亮度占空比减小，所以导致LED亮度降低为了提高显示屏亮度往往使LED在超额电流状态下工作扫描型驱动电路设计比较简单、成本低，较多应用于室内显示屏的设计3.3.3扫描控制电路总体说明因为LED大屏幕显示是高速连续进行的，特别在播放视频信号时，不但要求实时完成图像的高速扫描，还要接收新的数据，以便更新屏幕这就要求系统中必须要有高速数据缓存处理电路，以防止在扫描过程中丢失数据所以本系统中LED大屏幕显示的高速数据缓存模块采取双总线结构的存储电路如图4所示，A、B两组帧存储器分别交替工作于图像高速扫描和图像数据接收缓存两种方式当A帧存储器用于图像的扫描时，B帧存储器用于图像数据接收和缓存；反之，当A帧存储器用于图像的接收和缓存时，B帧存储器用于图像的扫描显示从显示控制模块传来的数据为并行数据，而LED显示屏所需的是含有像素点灰度信息的串行数据流。